DE434217C - Anordnung zur Umformung mehrphasiger sinusfoermiger Wechselspannungen in gleichfoermige Spannungen oder von gleichfoermigen Spannungen in mehrphasige sinusfoermige Wechselspannungen - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 21. SEPTEMBER 1926

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

- M 434217 KLASSE 21 d² GRUPPE

(C31161

Marcel de Coninck in Le Havre, Frankr.

Anordnung zur Umformung mehrphasiger sinusförmiger Wechselspannungen in

gleichförmige Spannungen oder von gleichförmigen Spannungen in mehrphasige

sinusförmige Wechselspannungen.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 27. September 1921 ab.

Für diese Anmeldung ist gemäß dem Unionsvertrage vom 2. Juni 1911 die Priorität auf Grund der Anmeldung in Frankreich vom 30. September 1920 beansprucht.

Den Gegenstand der Erfindung bildet eine einen für derartige Zwecke genügenden Anordnung, die zur Umwandlung mehrpha- Wirkungsgrad.

siger Wechselspannungen, insbesondere sol- Es sind zwar bereits mechanische Vorrich-

cher von sinusförmigem Verlauf, in gleich- . tungen zur Umformung von Gleichstrom in

5 förmige Spannungen oder umgekehrt zur Um- Wechselstrom bekannt geworden, bei denen 15

Wandlung der letztgenannten Spannungsform j ein Kollektor verwendet wird, dessen Lamel-

in die erste dienen soll. Die neue Anordnung läßt sich insbesondere bei den in industriellen Betrieben gebrauchten Spannungen, Leistun- xo gen und Frequenzen verwenden und besitzt

len untereinander durch Widerstände verbunden sind, von denen einige Null sein können, derart, daß man an den auf dem Kollektor umlaufenden Bürsten eine Wechselspannung

von mehr oder weniger trapezförmigem Verlauf abnehmen kann. Diese Vorrichtungen sind indes nicht zur Umwandlung von Wechselströmen, wie sie die Praxis benötigt, geeignet, deren Form bekanntlich nur wenig von der einer theoretischen Sinuslinie abweicht. Die Kurve der Spannung, welche diese Apparate liefern, entfernt sich sehr wesentlich von einer Sinuslinie und würde infolgedessen ίο zur Entstehung sehr starker harmonischer Ströme Veranlassung geben. Zwar ist es gelungen, bei gekoppelten Spulenkreisen der genannten Art die Oberwellen, insbesondere der dreifachen Periode, zu beseitigen. Doch erreichten die übrigen harmonischen Ströme höherer Ordnung beispielsweise noch das Zehnfache des Normalstromes, selbst bei Leerlauf, so daß eine Benutzung der erwähnten Vorrichtung in der Praxis nicht in Frage kommt.

Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, eine Anordnung zur Umformung von mehrphasigen sinusförmigen Wechselspannungen in gleichförmige Spannungen oder zur Um-Wandlung letzterer Spannungsform in die erstere zu schaffen, die sich auch für Anlagen der Praxis benutzen läßt, ohne daß die obenerwähnten Nachteile auftreten. Das wird dadurch erreicht, daß in Verbindung mit der. Erzeugung einer besonders geformten, z. B. trapezförmig verlaufenden Spannungskurve magnetisch wirkende Vorrichtungen vorgesehen sind, durch welche die Spannungsdifferenzen kompensiert werden, die jeweilig zwisehen der am Kollektor entnommenen Spannung und der wesentlich in einer Sinuslinie verlaufenden Spannung des mit dem Umwandler \'erbundenen Verbrauchastromkreises bestehen. Durch die genannten magnetisch wirkenden Vorrichtungen werden also die harmonischen Ströme höherer Ordnung unterdrückt, die bei den lediglich mit Ohmschen Widerständen arbeitenden Apparaten auftreten, und es werden infolgedessen die in diesen Fällen in den Widerständen und an den Übergangsstellen des Kollektors entstehenden Energieverluste vermieden.

In Abb. ι ist schematisch ein Umformer dieser Art dargestellt. Der umlaufende Teil desselben besteht im wesentlichen, wie es bei derartigen Umformern an sich bekannt ist, aus einem. Kommutator C, dessen Lamellen mit verschiedenen Punkten mit einer gleichzeitig mit dern· Kommutator umlaufenden Widerstandswicklung verbunden sind. Zwei einander gegenüberliegende Punkte P P' dieser Wicklung sind je mit einem von zwei Schleifringen B B' verbunden, deren Bürsten an· dem positiven und negativen Pol einer Gleichstromleitung U liegen. Auf dem Kommutator C schleifen in gleichen Abständen mehrere feste Bürsten. In dem in Abb. r dargestellten Falle, der einem zweipoligen Umformer für dreiphasigen Wechselstrom mit nicht verketteten Phasen entspricht, sind sechs Bürsten vorhanden. Je zwei gegenüberliegende Bürsten P F' stellen den Anfang und das Ende einer der Phasen I₁ T₁ Π, ΙΓ, IH, III' dar.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung, bei der Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom ist folgende:

Der Kommutator und die mit ihm verbundene Widerstandswicklung R werden mittels eines kleinen Motors, der nur die Reibung zu überwinden hat, gedreht. Alsdann werden die Punkte P P', zwischen denen dauernd eine gleiche Spannung U herrscht, nacheinander mit den Leitungen der Bürsten F₁, F₁', F₂, F₂', F_s, F_s' verbunden, wodurch jeder der Phasen I₁ II, III eine veränderliche Potentialdifferenz aufgedrückt wird, die sich zweimal bei jeder Drehung des Kommutators umkehrt. Es entsteht auf diese Weise in jeder Phase eine Wechselspannung, deren Periode gleich ist der Zeit einer Umdrehung des Kommutators. Befinden sich die Verbindungslinien der verschiedenen Bürstenpaare in gleichen Abständen voneinander, so erhalten die Bürstenpaare der einzelnen Phasen in gleichen Zeitabständen das Spannungsmaximum, d. h. also, man erhält die Spannungsschwankungen eines Mehrphasenstroms.

Die Spannung zwischen zwei einander gegenüberliegenden Bürsten ändert sich mit der Winkelstellung der Punkte P P' zu diesen Bürsten. Trägt man diese Spannungsdifferenz als Funktion der Zeit auf (d. h. also als Funktion der Winkelstellung des Kommutators, wenn dieser mit gleichförmiger Geschwindigkeit umläuft)·, so erhält man eine Kurve, die im allgemeinen nicht sinusförmig verlaufen wird.

Nimmt man beispielsweise zur Vereinfachung der Betrachtung an, daß der ganze Widerstand der Wicklung R an einer Stelle zusammengedrängt ist, die um den vierten Teil eines Kreisumfanges von den Punkten PP' entfernt ist, und daß die anderen Lamellen des Kommutators kurzgeschlossen seien, so tritt an einander gegenüberliegenden Bürstenpaaren der in Abb. 2 dargestellte Spannuragsverlauf ein.

Entwickelt man die Gleichung dieser Spannungskurve nach der Fournierschen Reihe, so würde, falls die Kurve vollkommen rechtwinklige Knicke aufwiese, das erste Glied der Reihe als Amplitude der Spannung ergeben U₁ == 1,27 U. Das dritte Glied der Reihe ergibt U₃ = ¹I₃ U₁, das fünfte Glied U_s = ¹I₅ U₁ usw.

Verläuft die Funktion nicht rechtwinklig,

sondern etwa trapezförmig, so ändern sich die Amplituden U₁, U₃ nicht wesentlich, während : dagegen die durch die höheren Reinenglieder dargestellten Amplituden erheblich kleiner werden.

Nimmt man an, daß bei einer derartigen Kurvenform jedes der Bürstenpaare mit einer der drei Phasen einer Sychronmaschine verbunden sei, so wird die Stärke der Ströme,

ίο die unter dem Einfluß der auf das dritte Reihenglied folgenden Glieder entstehen, sehr schnell abnehmen, da einerseits, wie oben erwähnt, die Amplituden der Spannungen, die ! diesen höheren Gliedern entsprechen, immer geringer werden und anderseits die Reaktanz der Synchronmaschine mit der Frequenz der höheren Glieder zunimmt.

Es ist daher nur erforderlich, die dritte Oberwelle der Spannungskurve zu unterdrücken. Dies könnte durch eine Steigerung der Reaktanz der sinusförmige Wechselspannung liefernden Synchronmaschine oder auch durch Vorschalten von Drosselspulen vor der Maschine geschehen, jedoch hat eine derartige Lösung den Nachteil, daß damit ein Mehrverbrauch an magnetisieren der Kraft bzw. eine Herabsetzung des Wirkungsgrades verbunden ist.

Nach der Erfindung soll daher mit dem Umformer eine feststehende Vorrichtung verbunden werden, die den Strom aus dem dritten Reihenglied unterdrückt, ohne den Strom aus dem ersten Reihenglied zu beeinflussen. Diese Vorrichtung (s. Abb. 3) besteht für eine dreiphasige Maschine aus einer Reaktanzspule A mit geschlossenem magneti- \ schem Kreis, auf der sich drei Wicklungen A₁, A₂, A₃ befinden, von denen je eine in eine ■ der Phasen I, II, III eingeschaltet ist. Es > läßt sich leicht zeigen, daß die Reaktanz eines ' derartigen Systems für den Strom aus dem ^: ersten Reihenglied gleich Null ist. Es wird ; nämlich für die drei Spulen der magnetische j Fluß durch drei Vektoren dargestellt, die j

gegeneinander um 120⁰ verschoben sind; ihre j geometrische Summe ist also gleich Null. Der dem ersten Reihenglied entsprechende Strom erzeugt somit kein magnetisches Feld und infolgedessen auch keine Gegenspannung. Dagegen sind die dem dritten Reihenglied entsprechenden Stromstärken in den drei Wicklungen in jedem Augenblick einander gleich; infolgedessen kann sich ein magnetisches Feld von der dreifachen Frequenz der Grundschwingung ausbilden, so daß die dreifache Frequenz abgedrosselt wird. Bemerkt sei, daß derartige Anordnungen zur Beseitigung der dritten Oberschwingungen an sich bekannt sind.

Im vorstehenden wurde nur die Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom betrachtet.

Es liegt jedoch auf der Hand, daß die Erfindung sich in gleicher Weise auch zur Umwandlung von Wechselstromenergie, die einer mehrphasigen Stromquelle z. B. sinusförmiger Spannung entnommen ist, in Gleichstromenergie benutzen läßt.

Auch hier wird durch die Erfindung die Aufgabe gelöst, in der mehr oder weniger trapezförmig verlaufenden Eigenspannung des Wandlers die übergeordneten harmonischen Spannungen auszugleichen, so daß an den Klemmen der Wandlereinrichtung nur die Grundwelle der Spannung übrigbleibt, die im wesentlichen gleich und entgegengesetzt der dem Apparat zugeführten Wechselspannung ist. Die Rolle, welche die den Erfindungsgegenstand bildenden magnetischen Vorrichtungen beim Ausgleich dieser höheren Harmonischen spielen, wird bei Umkehrung der Energierichtung nicht geändert. Ebenso haben auch die zwischen den Lamellen angeordneten Widerstände in diesem Falle die Wirkung, daß die Schwingungen der höheren harmonischen Spannungen gedämpft werden.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Anordnung zur Umformung mehrpha- go siger sinusförmiger Wechselspannungen in gleichförmige Spannungen oder von gleichförmigen Spannungen in mehrphasige sinusförmige Wechselspannungen, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise mittels eines umlaufenden Kollektors, dessen Lamellen durch Ohmsche Widerstände verbunden sind, deren Größe mit dem Abstand der betreffenden Lamellen von der Lamelle, weleher der Gleichstrom zugeführt wird, zunimmt und in der Nähe der Zuführungslamelle Null sein kann, eine trapezförmige Wechselspannung erzeugt wird, welche im wesentlichen außer der Grundwelle nur die dritte Oberwelle enthält, und daß die einzelnen Phasen des Wechselstromes in an sich bekannter Weise durch Spulen, welche durch einen gemeinsamen Eisenkreis gekoppelt sind, geführt werden, um die Oberspannungen von dreifacher Periode zu unterdrücken.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.